헤스의 법칙

전기 자동차에서 누출되는 수소 가스는 대기 중의 오존층과 반응하여 물을 생성할 수 있습니다. 이런 반응의 경우에는 실험실 환경에서 엔탈피 변화를 직접 측정하기는 어렵습니다. 그러나 이러한 반응을 실험실에서 두 단계로 나누어 각 단계의 엔탈피를 측정하여 수행할 수 있습니다.

1단계에서 산소 기체는 오존 가스로 변환되며 이때 델타 H_1은 285.4킬로 줄과 같습니다. 2단계에서는 수소 기체와 산소 기체가 결합하여 수증기를 생성하며 이때 델타 H_2는 마이너스 483.6킬로 줄과 같습니다. 엔탈피는 상태 함수이기 때문에 반응의 엔탈피 변화는 중간 단계에 관계없이 계의 초기 상태인 수소와 오존, 그리고 최종 상태인 물에만 의존합니다.

헤스의 총 열량 불변의 법칙에서는 화학 방정식이 여러 단계로 작성될 수 있다면 그 방정식에 대한 순 엔탈피 변화는 각 단계의 엔탈피들의 합으로 정의될 수 있다고 설명합니다. 보통 열화학 반응은 반응들의 합이 주어진 반응과 같도록 맞추어 주어야 합니다. 반응의 화학량론적 양과 방향을 변경할 수 있으며 맞추어 주는 각 반응의 새로운 엔탈피를 결정할 수 있습니다.

이 예제에서는 알려지지 않은 반응의 엔탈피를 찾기 위해 엔탈피의 변화를 알고 있는 두 단계를 추가할 수 없음을 보여 줍니다. 왜냐하면 첫 번째 방정식에서는 오존이 생성물이지만 관심을 두는 반응에서는 오존이 반응물이기 때문입니다. 이것을 해명하기 위해서 첫 번째 방정식인 흡열 반응은 오존을 산소로 분해하여 285.4킬로줄을 방출하는 역 발열 반응으로 전환되어야 합니다.

새 델타 H는 값은 같지만 부호는 반대입니다. 그럼에도 불구하고 1단계와 2단계의 역순을 더해도 화학양론계수가 다르기 때문에 오존이 물로 변환될 때와 같이 3몰의 물이 생기지 않습니다. 이를 해결하기 위해 각 반응의 화학양론계수 및 관련 엔탈피 변화에 적절한 수를 곱하여 원하는 반응에서의 계수와 상쇄되도록 해야 합니다.

엔탈피 변화가 반응물 및 생성물의 양에 따라 달라지기 때문에 계수와 엔탈피 변화 사이의 비율은 일정하게 유지됩니다. 3 몰의 물을 얻기 위해 단계 2에 2분의 3을 곱하여 새 델타 H_2에 마이너스725.4 킬로 줄의 값을 줄 수 있습니다. 1 몰의 오존을 소비하려면 1단계의 역과정에 2분의 1을 곱하여 새 델타 H_1에 마이너스 142.7 킬로 줄을 부여해야 합니다.

변형된 열화학 방정식을 합하고 반응물과 생성물 모두에 나타나는 화합물들을 상쇄하면 관심하는 반응을 얻을 수 있습니다. 새로운 델타 H 1과 H 2 를 더하면 수소와 오존 사이의 반응에 대한 엔탈피 변화는 마이너스 868.1 킬로 줄입니다.